posted on 2023/02/15

目前地球人口已超過80億，飲用水與工業及農業用水的需求日增，然而氣候變遷加劇了淡水缺乏的危機。在國際水資源會議上，會議主席歐爾布赫指出:「二十世紀是石油的世紀，二十一世紀則會是水資源的世紀」，因為石化能源有許多替代品，水則無可取代。現有的海水淡化設施多無法擺脫「高耗能」、「用電換水」的困境，所以研發低耗能、高效率的海水淡化技術已成為全球共識。

本校生命科學系暨基科所許世宜教授實驗室研究發現奈米新材料，找到同時具備高產量、低耗能、低碳排特性的海水淡化(desalination)機制。從仿生材料中找到答案，他們發現類澱粉蛋白(amyloid beta, Aβ)形成的奈米微管(nanotube)可以自動傳輸水分子，而且阻絕鈉離子（Na+）與氯離子（Cl-）的傳送，達到脫鹽的效果，海水淡化效率達100%。這個奈米微管兼具分子馬達(molecular motor)的功能，不需外部提供任何能量，就能達成海水淡化處理（圖一）。

許世宜教授表示，逆滲透法是目前主流的海水淡化技術，需要透過外部加壓的方式驅使海水中的水分子通過逆滲透膜，與鹽離子分離，進而獲得淡水。但實驗設計原理讓科學界瞭解，分子馬達的自動傳輸機制，不需要額外加壓，就能主動傳輸水分子。類澱粉蛋白所形成的片狀結構中，親水性與疏水性胺基酸構成了兩個非對稱的棘狀位能(ratchet potential)，此種棘狀位能能夠達到阻擋帶電離子（如氯離子和鈉離子）穿過，並推動水分子往單一方向移動(unidirectional motion)。由三片類澱粉蛋白片狀結構自發組成奈米微管(self-assembled amyloid beta nanotube)，可以用來導引水分子的流動。

研究發現，野生種類澱粉蛋白所形成的奈米微管，無法有效的達到分離水分子與帶電離子的目的，利用結構中的一個胺基酸改成帶電胺基酸，設計兩親性的(amphiphilic)奈米微管來增加親水性位能，從而提高了水分子與帶電離子的分離效能。這個過程不須外加壓力、不耗能，由一片10公分 × 10公分面積大小的奈米微管組合的過濾膜，一天產率可達2.5公噸的淡水，是目前已知逆滲透法的200倍。研究結果提供的奈米材料引入新的觀念，將分子馬達作為海水淡化節能省電的新方向，產率大幅提升，顛覆了傳統的技術與思維。

◎期刊資訊： Yu-Cheng Liu, Dah-Yen Yang, Jin-Pei Deng, Sheh-Yi Sheu. Molecular Dynamics Simulations of High-Performance, Dissipationless Desalination across Self-Assembled Amyloid Beta Nanotubes.(生命科學系暨基因體科學研究所 / 指導老師：許世宜教授)

◎論文全文：https://doi.org/10.1002/smll.202205420

圖一：海水淡化示意圖。(A) 類澱粉蛋白纖維自組裝形成Aβ折疊片狀結構和Aβ奈米微管。(B) Aβ奈米微管具有分子馬達、水泵功能和嵌入膜中作為奈米通道。(C) 海水淡化的商業設計和應用。